煤层气的勘探开发

2026-09-28 17:36:00

煤层气“生娃不挪窝”指煤层气是自生自储自盖的天然气资源,煤层气是世界上开发较早的非常规天然气之一。20世纪80年代以来,美国、加拿大等国家煤层气勘探开发取得了重要进展,目前美国煤层气年产量已超过500亿立方米。中国是一个煤层气资源大国,2000米以浅的煤层气地质资源量达36.81万亿立方米,居世界第三,经过近20年的勘探与开采试验,已初步实现煤层气地面工业生产。

煤层气(coalbedmethane)是一种生成并储存于煤层中,以甲烷为主要成分、以吸附状态为主的烃类气体。在煤矿开采中俗称为“瓦斯”。煤层气与常规天然气在气体成分上相似,但在储集机理、富集过程、气藏特征和流体赋存状态上有着自身的特点。

煤层气组分以甲烷为主,井口排采气甲烷含量可以达到98%以上。煤储层具有双重孔隙结构,甲烷主要吸附在具有较大比表面积的煤层微孔表面,含气量受到煤成熟度、成分、温度、压力、保存条件等因素的影响。煤层气解吸后渗流主要通过割理和裂隙进行,由于煤层的可压缩性,受地应力影响,煤层渗透率随埋深增加快速下降。目前,煤层气开发主要限于1500米以浅,资源评价一般限于2000米以浅。

煤层气与常规天然气形成过程相似,但煤层气主要是煤化作用过程晚期的生气产物,由于埋藏较浅或者受到晚期抬升作用的影响,次生生物气的混入较普遍。受赋存状态控制,盆地内煤层气具有向斜分布特征;受煤层发育地质时代和沉积环境控制,煤层气主要分布于石炭纪以来的沉积地层,主要包括石炭系—二叠系、三叠系—侏罗系及白垩系—古近系;受煤层区域分布和埋深控制,目前发现的煤层气主要分布于美国的圣胡安、粉河和黑勇士盆地,加拿大的西加拿大前陆盆地,澳大利亚的悉尼、鲍恩和苏拉特盆地,中国的沁水和鄂尔多斯盆地等。

据国际能源机构统计,全球煤层气资源量大约为256万亿立方米,主要分布在俄罗斯、加拿大、中国、美国、澳大利亚等12个国家。20世纪80年代以来,国内许多单位先后对中国煤层气资源潜力进行过评价与预测,普遍认为中国煤层气资源非常丰富。据全国新一轮油气资源评价结果,中国煤层气地质资源量为36.81万亿立方米,可采资源量为10.87万亿立方米。目前,世界上实现煤层气工业开发的国家主要有美国、加拿大、澳大利亚和中国。2010年,美国煤层气产量达到564亿立方米左右,加拿大产量大约80亿立方米,澳大利亚产量大约50亿立方米,中国产量14.5亿立方米。2011年中国煤层气产量达到23亿立方米。

煤层气地球化学分析数据主要来自煤岩解吸气、瓦斯抽放气及井口排采气等样品,前两者数据的分布范围较宽。对中国不同地质时代和不同煤级的358个井田(矿)煤层气组分的统计显示,煤层气组分构成以CH4为主,其含量变化范围为66.55%~99.98%,一般为85%~93%;CO2含量为0~35.58%,一般小于2%;N2的含量变化很大,一般小于10%;重烃气含量随煤级不同而变化。对美国煤层气井795个气样的分析结果表明,煤层气的组分及其平均含量为:CH4占93.2%,C2+(重烃)占1.6%,CO2占4.4%,N2占0.8%。从前人统计数据看,井口排采的煤层气无论是热成因气(如美国黑勇士盆地、中国沁水盆地),还是生物成因气(如美国粉河盆地、中国阜新盆地),煤层气的组分差别不是很大,主要为甲烷,平均为97%~99.75%;重烃气及非烃气含量均很低,一般小于2%。相对于常规天然气,煤层气组分比较一致,无论烃源岩的成熟度高低,煤层气的组分均显示为干气的特征。来源于煤系的常规天然气组分,往往受到烃源岩的成熟度影响,随着成熟度增大,甲烷含量升高,重烃气含量降低,过成熟的晚期阶段气体富集甲烷,如高过成熟煤系生成的克拉2气田甲烷含量达96.58%,C3以后的烷烃组分基本检测不到;成熟—高成熟阶段生成的牙哈凝析气田甲烷含量均值只有82.32%,C2~C5含量达11.61%。

在碳同位素组成上,煤层气与天然气(煤成气)有着明显的差别。热成因的常规煤成气与煤层气碳同位素最大的差别是,成熟度相近烃源岩的煤层气甲烷碳同位素明显偏轻,如沁水盆地南部二叠系3号煤层的Ro最高可达3.5%以上,库车坳陷侏罗系煤系烃源岩Ro小于2%,但库车克拉2晚期阶段聚集的天然气甲烷碳同位素为-27.3‰,明显重于沁水盆地南部过成熟的煤层气甲烷碳同位素值(-31.95‰),这种现象在其他盆地也普遍存在。造成这种现象的原因主要是受到次生生物作用的影响。

煤层气主要有生物成因和热成因两种成因机制。低煤阶泥炭和褐煤具有较高的孔隙度,含水量较高,在低温条件下形成生物成因甲烷和少量其他流体。成熟度增加,水被排出,孔隙度减小,温度上升到细菌生存的上限而使得生物成因甲烷减少,同时复杂有机质裂解作用释放出甲烷和重烃,并伴有部分非烃气体的形成。煤岩成熟度达到0.6%时,热成因烃类气开始生成,并一直贯穿整个煤化作用过程。

目前开发的煤层气均位于1500米以浅的浅部煤层,煤层多经历了构造抬升作用,当煤层抬升到适合生物生存的温度范围时,煤层中有机质和CO2在生物作用下转变为甲烷形成次生生物气,即使是高演化程度的煤岩,在抬升过程中仍有次生生物气混入,表现为甲烷碳同位素值轻于-55‰,不同盆地、不同构造背景这种混入的程度有所差别。

在我国的一些地区,煤层气资源丰富。过去煤层气曾被视为煤矿安全生产的主要威胁,因其主要成分甲烷在空气中达到一定浓度时,遇明火会爆炸,被称为“矿工杀手”。

然而,随着技术的进步和对煤层气认识的深入,人们发现了它的巨大价值。煤层气是一种优质、清洁、高效的能源,其热值高,燃烧后几乎不产生废气。

有这么一群能源科技工作者,他们不畏艰难,致力于煤层气的勘探与开采。以中联煤层气有限责任公司为例,21世纪初,他们在山西省东南部的沁水盆地,努力建设首个国家级煤层气开发利用示范工程。

沁南示范工程的建设并非一帆风顺。这里的地质环境复杂,面临着诸多挑战。但科研人员不断推进科技创新,逐步形成了一系列适合当地的勘探开发技术。

在工程建设过程中,实现了多项技术创新,如“空气钻井技术”“微珠低密度固井技术”“清水加砂压裂技术”“氮气泡沫压裂技术”“分片集输一级增压地面集输技术”“稳控精细排采技术”等。同时,还形成了相关的技术和安全规范、规程。

经过努力,沁南示范工程取得了重要成果,标志着我国煤层气产业化发展迈出了关键一步。该示范工程不仅大幅降低了煤矿瓦斯爆炸率,提高了煤矿安全环境,还为我国带来了丰富的清洁能源,产生了巨大的经济价值。

另外,在新疆地区,自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队队长韦波带领团队,自2008年起开始研究如何将优质的煤层气资源勘查开发并有效利用。起初引进的先进技术并不成功,他们只能潜心钻研,不断总结经验。最终攻克了煤层气勘查与开发各个环节的地质关键技术,形成了淮南煤田阜康矿区100余口井、日产量20万立方米煤层气的产能规模,单井日产量远超全国平均水平。

在煤层气的勘探开发过程中,还有许多类似的故事。我国的煤层气产业从无到有、从小到大,经历了多个阶段的发展,离不开科研人员的不懈努力和技术创新。如今,煤层气的开发利用规模不断增长,已经成为补充天然气供应的重要气源,为保障能源安全和推动经济社会发展做出了重要贡献。

煤层气的开采不仅能带来清洁能源,还能改善煤矿安全状况,具有重要的经济和社会意义。但在开发过程中,也需要注意环境保护、资源合理利用及与当地居民的利益协调等问题。

同时,煤层气开采也可能引发一些社会问题。例如,在山西省吕梁市兴县蔡家会镇赤家洼村,中联煤层气公司在村民不知情的情况下,掘了村民家的祖坟、侵占了耕地用于煤层气开采,给村民造成了伤害。这也提醒相关企业在进行煤层气开发时,要充分尊重当地居民的权益,做好沟通和协调工作,避免类似的纠纷和冲突。政府部门也应加强监管,确保煤层气开发的合法、合规进行,实现经济效益与社会效益的双赢。

总体而言,煤层气的开采是一个复杂而具有挑战性的过程,需要技术创新、科学管理及各方的共同努力,以实现可持续发展。

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